黃 亮，章國豪，張志浩，李思臻

一種帶有溫度補償電路的射頻功率放大器

黃 亮，章國豪，張志浩，李思臻

(廣東工業(yè)大學信息工程學院 廣州 510006)

針對無線通信應用的射頻功率放大器，提出了一種新穎的溫度補償電路。應用該溫度補償電路，設計了一款基于InGaP/GaAs HBT工藝的兩級F類功率放大器。該功率放大器采用了帶溫度補償特性的有源偏置電路，能有效地提高線性度，補償溫度引起的性能偏差；輸出匹配網(wǎng)絡采用F類功率放大器諧波理論而設計。在1 920～1 980 MHz頻段和電源電壓3.4 V條件下，測得常溫狀態(tài)該功率放大器增益為27 dB；輸出功率在28 dBm時功率附加效率達到42%，鄰信道功率比為?36 dBc；在?20 ℃～80 ℃之間功率附加效率和鄰信道功率比基本不變。

有源偏置; F類; 諧波抑制; 功率放大器; 溫度補償

手持移動通訊系統(tǒng)中，功率放大器是非常關鍵的元件，也是主要的耗能部分。而功率放大器的效率和線性度都直接影響通訊終端的通信質量和時長。因此功率放大器在滿足嚴格的線性特性外還要滿足效率的要求[1]。應用于功率放大器設計的工藝主要采用III-V族化合物和硅工藝技術。而為了能實現(xiàn)高性能射頻功率放大器的設計多采用砷化鎵異質結雙極型晶體管(GaAs HBT)，通過對HBT的非線性特性的補償可以獲得優(yōu)異的線性性能[2]。高性能GaAs HBT功率放大器的設計除了考慮線性度、效率等基本指標，還有溫度補償?shù)取?/p>

雙極性晶體管與場效應晶體管不同，需要直流電流加到輸入端口。為了得到高線性度和高功率附加效率(PAE)，射頻前端功放常常偏置在AB類。AB類放大與從電源拉取的平均電流與輸入信號強度有關。隨著輸入的功率信號增大，由于基-發(fā)射結的整流特性，大的負電流信號和大的正電壓信號會被削減。因此，流過基-發(fā)射結的電流增加，而兩端的電壓減小。而且基-發(fā)射結電壓(Vbe)的減小將引起跨導的減小，最終導致更早的增益壓縮和失真[3]。為了補償增益壓縮和失真，最有效的方式就是補償Vbe，而這可以通過采用有源偏置電路偏置提升技術實現(xiàn)[4]。一般地，功放的效率可以通過低靜態(tài)電流的有源偏置電路改善。但是在保證增益和輸出功率的同時，靜態(tài)電流只能減小到一定程度。此外，由于AB類放大器較小的集電極電流或者小的Vbe，如果有一個合適的負載匹配網(wǎng)絡就能達到一定的增益擴張及效率提升。實際上，F(xiàn)類負載匹配網(wǎng)絡[5]是很好的選擇。

HBT有很強的熱敏感性，器件性能受外部環(huán)境溫度以及自熱效應的影響明顯[6]。因此，對HBT進行溫度補償能提高線性度[7]，而片上溫度補償多基于偏置電路。文獻[8]研究了反饋偏置電路對溫度補償，取得了一定的效果；文獻[9]通過對偏置電路加一個電壓補償電路實現(xiàn)溫度補償，在極低靜態(tài)電流下補償效果明顯；文獻[10]也對溫度補償進行研究。

本文介紹了一個工作在1 920～1 980 MHz頻段基于GaAs HBT工藝的兩級功率放大電路。該放大電路包括具有提高線性度與溫度補償?shù)挠性雌秒娐芬约耙粋€F類工作模式的輸出匹配。該溫度補償電路通過調節(jié)基極靜態(tài)偏置電流實現(xiàn)溫度補償。這些技術的使用，能使功率放大器在較大的溫度范圍下，保證高線性度的同時具有高的效率。

1 偏置電路

為了提高線性度及飽和抑制輸出功率區(qū)域的增益壓縮，基于二極管線性化技術設計的失真補償有源偏置電路如圖1所示。

圖1 偏置電路

當輸入功率增加，功率管Q0的直流電流增加，由于二極管整流的特性，Q0的基極電位Vb0會減?。恍孤哆M偏置電路的射頻信號，經過Q3，然后由電容C旁路到地，從而保持了Q3的基極電位Vb3不變；而Q3的基-射級二極管因為整流作用，其基-射電壓Vbe3會下降，因此補償了Vb0的下降，使得Q0的偏置點在高功率保持不變，從而抑制增益壓縮。

通過一個反饋環(huán)路，可以將HBT內部的熱電反饋用環(huán)路增益表達。當基極偏置由一個電壓源和一個整流電阻Rb串聯(lián)組成時，最終的環(huán)路增益為[11]：

式中，Rth是熱阻；T是器件內部的溫度；a是熱電反饋系數(shù)；Ip是空穴電流；ΔE是有效的空穴與電子的能帶差；右邊第一項和第二項分別代表HBT內部的正反饋和負反饋，第一項表示發(fā)射結開啟電壓隨溫度減小，第二項表示發(fā)射極注入效率隨溫度減小。假設f=0，可以計算出正反饋和負反饋剛好平衡時的鎮(zhèn)流電阻阻抗(RT)。當基極整流電阻Rb=RT時，正負反饋剛好抵消。由于有源偏置電路的直流提升效應，功率放大器整流電阻Rb的選擇也需要PAE與線性度的折中，最終整流電阻Rb的數(shù)值基本不可能等于RT。因此需要額外的溫度補償電路。

偏置電路中Q1、Q2、R0、R2構成一個溫度補償模塊。當溫度變化時，假設所有晶體管基-發(fā)射級電壓變化為?ΔVbe，則流過晶體管Q1的電流變化量為：

由于Q1、Q2構成鏡像電路，流經Q2的電流變化量為：

式中，k為鏡像放大倍數(shù)。因此，結點n的電位變化量為：

結點m的電位變化量為：

該變化量與?ΔVbe變化趨勢相反，從而溫度補償模塊在溫度變化時補償了靜態(tài)偏置電流。

令式(4)等于ΔVbe，由式(3)得：

將式(1)和式(2)代入式(5)，可得：

通過以上等式關系，可以確定溫度補償電路各個器件的參數(shù)。

2 功率放大器的設計

一個基于Wavetek InGaP/GaAs HBT工藝，工作在1.95 GHz的兩級線性功率放大器的原理圖如圖2所示。

虛線框P1是功率放大器的MMIC部分，為了方便調試，其他部分都在PCB板上實現(xiàn)。扼流電感及輸出匹配在PCB上。兩級都是先分開設計，然后通過合適的級間匹配網(wǎng)絡連接在一起。偏置電路如圖1所示，為了高效率與高線性度的折中，兩級電路都是偏置在AB類?？紤]到HBT熱效應引起的電流坍塌，鎮(zhèn)流電阻(如圖1的R3)需要兼顧該電阻引起的增益擴張及對HBT熱效應的抑制作用。輸入高通匹配網(wǎng)絡是為了第一級獲得高增益，輸出匹配是為了獲得高功率、高效率。輸出匹配電路的C1、L1構成2階諧波抑制電路，C2、L3構成3階諧波抑制電路。如圖3所示，整個輸出匹配電路是選擇合適的諧波階次，并考慮F類的效率與近似實現(xiàn)而設計[12]，i1、i2、i3和V1、V2、V3分別表示3種不同輸出匹配配置下的集電極電流和電壓。

圖2 原理圖

圖3 輸出集電極電流和電壓時域圖

該電路兩級的發(fā)射極面積大小分別為798 μm2和3 948 μm2，靜態(tài)電流分別為19 mA和52 mA，電路的工作電壓為3.4 V。芯片die如圖4所示，大小為610 μm×750 μm，最終實現(xiàn)芯片大小為3 mm×3 mm。

圖4 芯片照片

3 放大器的性能與分析

使用安捷倫的網(wǎng)絡分析儀E5071C測得功率放大器的小信號S參數(shù)S11、S21、S22如圖5所示，在1 920～1 980 MHz頻段范圍內S21超過27 dB，變化小于1 dB；S11基本在?10 dB以下。通過S21可看出諧波也有較好的抑制。

圖5 小信號S11、S21、S22參數(shù)圖

用安捷倫的信號發(fā)生器N5182A和信號分析儀N9030A搭建測試平臺，采用WCDMA調制信號輸入，在25 ℃、?20 ℃和80 ℃測得該功率大器性能如圖6和圖7所示。從圖6可以看出，常溫下增益(Gain)為27 dB，輸出功率(Pout)為28 dBm的時候功率附加效率(PAE)達到了42%。從圖7中可以看出，常溫下輸出功率為27 dBm時也能滿足WCDMA的標準；輸出28 dBm時，鄰信道功率比(ACPR)為?36 dBc。而在高溫和低溫情況下，PAE和ACPR變化較小，增益的波動也小于±2 dB。此外，靜態(tài)電流會隨溫度的增加而增加，變化量也小于5 mA。

圖6 不同溫度環(huán)境下的增益和功率附近效率

從表1中靜態(tài)電流變化量可以看出，本文的溫度補償電路有較好的溫度補償性能，而且對功率放大器的主要性能隨溫度變化也有較好的抑制。此外，文獻[9]的靜態(tài)電流變化量最低，是其靜態(tài)電流工作在12.5 mA的極低狀態(tài)。表2為工作在同一個頻率范圍的不同功放設計的對比。

圖7 不同溫度環(huán)境下的鄰信道功率比

表1 溫度補償性能對比

表2 功率放大器主要性能對比

4 結 論

本文設計了一種有溫度補償特性的功率放大器。其中溫度補償電路結構簡單，能跟功率放大器集成為單一芯片。該放大器的工作電壓為3.4 V，輸入輸出級靜態(tài)電流很低，分別為19 mA和52 mA，常溫下該放大器增益有27 dB；輸出功率為28 dBm時功率附件效率(PAE)達到了42%，ACPR為?36 dBc。在?20 ℃到80 ℃之間PAE和ACPR在低功率輸出時基本不變?？梢娫撾娐防糜性雌秒娐酚行У靥岣吡司€性度，并且降低了放大器對溫度的敏感性。放大器采用F類的工作模式設計也獲得了較高的效率和較好的諧波抑制。

[1] ZHANG G, KHESBAK S, AGARWAL A, et al. Evolution of RFIC handset PAs[J]. IEEE Microwave Magazine, 2010, 11(1): 60-69.

[2] CHUNG Y. Distortion-cancellation of GaAs-HBT amplifier using bias-voltage droop control[J]. Electronics Letters, 2012, 48(18): 1134-1136.

[3] JANG J S, LEE K H. Implementation of INGaP/GaAs HBT MMIC PA with gain-expansion drive-amplifier and doherty structure[C]//International Conference on Information Science and Applications. Suwon: IEEE Press, 2013: 1-3.

[4] MEDINA J F M, OLAVSBRAATEN M, GJERTSEN K M. Biasing an HBT MMIC transistor for efficiency and output power enhancement[C]//Workshop on Integrated Nonlinear Microwave and Millimetre-Wave Circuits. Ireland Dublin: IEEE Press, 2012:1-3.

[5] GREBENNIKOV A. Load network design technique for class F and inverse class F PAs[J]. High Frequency Electronics, 2011, 10(5): 58-76.

[6] SEVIMLI O, PARKER A E, FATTORINI A P, et al. Measurement and modeling of thermal behavior in InGaP/GaAs HBTs[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2013, 60(5): 1632-1639.

[7] ISHIKAWA R, KIMURA J, HONJO K. Analytical design method for a low-distortion microwave InGaP/GaAs HBT amplifier based on transient thermal behavior in a GaAs substrate[J]. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 2013, 3(10): 1705-1712.

[8] JARVINEN E, KALAJO S, MATILAINEN M. Bias circuits for GaAs HBT power amplifiers[C]//Microwave Symposium Digest, IEEE MTT-S International. Phoenix: IEEE Press, 2001: 507-510.

[9] JEON J, KIM J, KWON Y. Temperature compensating bias circuit for GaAs HBT RF power amplifiers with stage bypass architecture[J]. Electronics Letters, 2008, 44(19): 1141-1143.

[10] 李誠瞻, 陳志堅, 王永平, 等. InGaP/GaAs HBT射頻功率放大器在片溫度補償電路研究[J]. 中國集成電路, 2010(11): 57-61. LI Cheng-zhan, CHEN Zhi-jian, WANG Yong-ping, et al. An on chip temperature compensation circuit research on InGaP/GaAs HBT power amplifier[J]. China Integrated Circuit, 2010(11): 57-61.

[11] ZHU Y, TWYNAM J K, YAGURA M. Self-heating effect compensation in HBTs and its analysis and simulation[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2001, 48(11): 2640-2646.

[12] KIM J H, JO G D, OH J H, et al. Modeling and design methodology of high-efficiency Class-F and Class-F-1power amplifiers[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2011, 59(1): 153-165.

[13] LI Cheng-zhan, CHEN Zhi-jian, HUANG Ji-wei, et al. An on-chip temperature compensation circuit for an InGaP/GaAs HBT RF PA[J]. Journal of Semiconductors, 2011(13): 131-134.

[14] JI H K, KI Y K, CHUL S P. Linearity improvement of a power amplifier using a series LC resonant circuit[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2008, 18(5): 332-334.

[15] HAU G, SINGH M. Multi-mode WCDMA power amplifier module with improved low-power efficiency using stage-bypass[C]//IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC). Anaheim, California: IEEE Press, 2010: 163-166.

[16] HAU G, HUSSAIN A, TURPEL J, et al. A 3×3 mm2LTE/WCDMA dual-mode power amplifier module with integrated high directivity coupler[C]//IEEE Bipolar/ BiCMOS Circuits and Technology Meeting (BCTM). Atlanta: IEEE Press, 2011: 138-141.

編 輯 稅 紅

RF Power Amplifier with Temperature Compensation Circuit

HUANG Liang, ZHANG Guo-hao, ZHANG Zhi-hao, and LI Si-zhen

(School of Information Engineering, Guangdong University of Technology Guangzhou 510006)

A novel temperature compensation circuit for an RF power amplifier of wireless communication applications is presented. A two stage class F power amplifier with this temperature compensation circuit based on InGaP/GaAs HBT technology is also designed. The active bias network with the temperature compensation circuit can effectively improve the linearity and thermal characteristics, which allowing the power amplifier with little degradation in performance under temperature variation. The output matching network is designed to realize a class F power amplifier. The fabricated power amplifier shows 42% power added efficiency (PAE) with ?36 dBc adjacent channel power ratio (ACPR) at 28 dBm output power, and 27 dB gain, respectively, measured with WCDMA signals at a supply voltage of 3.4 V in a frequency range from 1 920 MHz to 1 980 MHz. The power added efficiency (PAE) and ACPR are well compensated over the temperature from –20 ℃ to 80 ℃.

active bias; class F; harmonic suppression; power amplifier; temperature compensation

TN958

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2015.06.003

2014 ? 06 ? 09;

2015 ? 01 ? 07

廣東省領軍人才專項資助項目(400130002)

黃亮(1990 ? )，男，博士生，主要從事射頻集成電路方面的研究.